肖淼(天津中海油服化學(xué)有限公司，天津 300450)

0 引言

目前，構(gòu)成固井水泥環(huán)的材料仍以硅酸鹽水泥為主。硅酸鹽水泥石的特點(diǎn)是：脆性大、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度以及抗沖擊性能差等。當(dāng)在井筒內(nèi)溫度壓力變化時(shí)，水泥環(huán)常遭受拉伸應(yīng)力破壞，在射孔完井、小井眼及大斜度井鉆井中，水泥環(huán)常遭受沖擊性破壞。纖維可以增韌硅酸鹽水泥石，可防止水泥環(huán)拉伸應(yīng)力破壞和沖擊破壞[1]。

硅灰石(Wollastonite)微纖(以下簡(jiǎn)稱微纖)，主要的化學(xué)成分為偏硅酸鹽(CaSiO3)，其理論組成為CaO 48.3%，SiO251.7%[2]。目前，微纖主要用于橡塑和陶瓷材料的增韌。在本文中，以3%、6%、9%(bwoc)替代水泥，考察微纖對(duì)水泥石力學(xué)性能及流變性的影響。

1 材料

API G級(jí)水泥、降失水劑PC-G80L、分散劑PC-F44L、消泡劑PC-X60L以及微纖Wol-2，均來自于天津中海服化學(xué)有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)API R10B規(guī)范配制水泥漿，并準(zhǔn)備75 ℃常壓養(yǎng)護(hù)15天齡期的水泥石試樣，開展如下各項(xiàng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)。

行方式由傳統(tǒng)模式向“四化”模式轉(zhuǎn)變，功圖計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用代替了傳統(tǒng)人工計(jì)量、計(jì)量站計(jì)量。遠(yuǎn)程采集控制終端（RTU）應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸和遠(yuǎn)程控制，提升了智能化管理；視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控及可視化管理。

集體備課可以有效提升教師的專業(yè)素養(yǎng)，特別是對(duì)青年教師群體業(yè)務(wù)能力的鍛煉.集體備課的主要目的就是發(fā)揮教研組全體教師的集體智慧，老教師提供經(jīng)驗(yàn)方法，年輕教師貢獻(xiàn)教學(xué)新思路，共同優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，提高教學(xué)質(zhì)量.與此同時(shí)，集體備課可以為教師提供交流的平臺(tái)，便于課程教學(xué)策略與改革方案的實(shí)施.

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是表征材料力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)。材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，以兩者之間的比值稱為彈性模量，并以徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值稱為泊松比。材料彈性模量越大，泊松比越小，材料變形能力越差，越易脆裂。在很多應(yīng)力場(chǎng)中，一般都要求水泥環(huán)具有低模量、高泊松比、高變形量以及高抗拉強(qiáng)度的特性。從圖1所示的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線上可以看出，微纖替代水泥后，抗壓強(qiáng)度有所降低，但基本上能維持在30 MPa以上。另外，隨著微纖替代量的增加，試樣的塑性變形階段得到了明顯擴(kuò)大，彈性階段處曲線的斜率(即模量)明顯降低。通過求解彈性階段的曲線斜率，得出0%、3%、6%以及9%微纖量的水泥石模量分別為11.7 GPa、10.1 GPa、8.2 GPa以及7.7 GPa。另外，求解圖1所示的單軸應(yīng)變1(軸向變形)應(yīng)變2(徑向變形)曲線上彈性階段處曲線的斜率(即泊松比)，可得0%、3%、6%以及9%微纖量的水泥石泊松比分別為0.15、0.17、0.18以及0.21。此結(jié)果表明，隨著微纖替代量的增加，水泥石剛性降低，變形量增大。

圖2為空白試樣與添加微纖的試樣的掃描電鏡微觀形貌分析。如圖2所示，空白試樣基體內(nèi)部存在微小裂縫，這些裂縫可能產(chǎn)生于試樣養(yǎng)護(hù)過程中的收縮，而對(duì)于添加微纖的試樣，基體致密，沒有微裂縫。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，鑲嵌在水泥基體的微纖與水泥基體結(jié)合緊密，微纖表面略變得粗糙。硅灰石能降低水泥石堿度，在水泥水化過程中產(chǎn)生氫化化鈣反應(yīng)。據(jù)此可以推斷，造成微纖表面變得粗糙的原因是微纖表面參與了水泥的水化反應(yīng)。從纖維增強(qiáng)角度來說，這種水化反應(yīng)可提高微纖與水泥基體的握裹力，防止在拉伸過程中微纖被拉出水泥石基體，從而有助于發(fā)揮微纖增加抗拉強(qiáng)度的作用。

2)相比于還需要借助眼鏡來實(shí)現(xiàn)的VR技術(shù)的AR，已經(jīng)可以擺脫智能眼鏡的捆綁，因此也獲得了更大的發(fā)展空間，得到了很多科技企業(yè)和景區(qū)的青睞。

文藝發(fā)展與許多事物一樣，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。在這個(gè)過程中，紹興文藝總體呈現(xiàn)日漸提升、日益繁榮的態(tài)勢(shì)。無論是文藝觀念、支撐條件，還是組織保證、民間活力，都顯示出關(guān)注人們精神、服務(wù)主流生活，更好地提升人們的精神品質(zhì)，讓精神富有與物質(zhì)富裕同步起來又相互促進(jìn)的正能量。

(4)水泥石抗沖擊試驗(yàn)：采用落錘法表征水泥石抗沖擊性能[1-2]。

(5)水泥石微觀相貌分析：采用Camscan公司CS-3400型掃描電鏡進(jìn)行形貌分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

水泥漿基本配方為：100% G級(jí)水泥+37%淡水+4%PCG80L+2%PC-F44L+1%PC-X60L。在基本配方的基礎(chǔ)上，分別以3%、6%及9%(bwoc)微纖替代水泥，考察不同添加量的微纖對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響，以及對(duì)流變性的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 微纖對(duì)抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的影響

以3%、6%、9%(bwoc)微纖替代水泥后，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相比空白樣的狀況如表1所示。從表1可以看出，隨著微纖替代量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度逐步降低，9%替代量的水泥石試樣相比空白樣，抗壓強(qiáng)度降低幅度達(dá)25%。這可能是由于隨著微纖替代量增加，水泥石基體內(nèi)的膠凝材料水泥逐步少的原因。雖然以微纖替代水泥后，水泥石抗壓強(qiáng)度有所降低，但水泥石強(qiáng)度基本上仍在30 MPa以上。對(duì)于固井水泥石來說，14 MPa抗壓強(qiáng)度足以滿足層間封隔和支撐套管的作用，地應(yīng)力和后繼作業(yè)帶來的應(yīng)力破壞，在很大程度上表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力破壞。另外，如圖1所示，隨著微纖替代量的增加，水泥石抗拉強(qiáng)度逐步增加，替代量為9%的試樣相比空白試樣，其抗拉強(qiáng)度增加幅度達(dá)33.3%。從表1可以看出，隨微纖替代量的增加，水泥石的拉壓比逐步增加，這說明了水泥石柔性隨著微纖替代量的增加逐步得到了改善。

圖1 微纖加量與水泥石變形關(guān)系

表1 微纖對(duì)水泥石抗壓及抗拉強(qiáng)度的影響

3.2 壓縮時(shí)的破壞形態(tài)

減少VOC對(duì)人造板行業(yè)意味著什么？可持續(xù)建筑產(chǎn)品聯(lián)盟的Simon Corbey和邦戈大學(xué)的生物復(fù)合材料中心的Ceri Loxton結(jié)合了他們的專業(yè)知識(shí)來解釋一個(gè)將越來越重要的問題。

3.3 微纖對(duì)水泥石模量及泊松比的影響

(2)水泥石抗拉強(qiáng)度：參照ASTM C307-03標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

3.4 微纖對(duì)水泥石抗沖擊性能的影響

水泥環(huán)在斜度較大的井段，常遭受鉆桿及井下工具的撞擊而發(fā)生破裂。在射孔完井時(shí)，水泥環(huán)易遭受射孔彈的爆破波而發(fā)生破裂。通常的做法時(shí)在水泥基體中加入彈塑性材料或及纖維材料。目前，表征油井水泥石抗沖擊性能還沒有統(tǒng)一的方法，本文采用Schlumberger公司的落錘法，該方法試驗(yàn)結(jié)果直觀，以抗擊次數(shù)表征水泥石沖擊性能。抗沖擊次數(shù)越多，表明水泥石不易遭受沖擊破壞。以3%、6%、9%(bwoc)的微纖替代水泥后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空白試樣僅1次沖擊，就完全碎裂，而3%、6%及9%微纖替代量的水泥石，分別可承受2～3次、4～5次、5～7次的沖擊，即隨著微顯替代量的增加，抗沖擊次數(shù)增多。在落錘沖擊過程中，水泥石試樣要承受高應(yīng)變率的壓縮，鑲嵌在水泥石基體內(nèi)的微纖，增強(qiáng)了水泥石基體的連續(xù)性，減少了沖擊波被阻斷引起的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。在宏觀上，微纖表現(xiàn)為在水泥石中能較好地吸收沖擊能量，增強(qiáng)了抵制沖擊破壞的能力。

3.5 微纖對(duì)水泥石微觀形貌的影響

(3)水泥石模量及泊松比：參照ASTM D3148-02標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

從表2可以看出：在知識(shí)導(dǎo)入和體驗(yàn)上，浙教版以數(shù)學(xué)問題直接進(jìn)入，但缺少知識(shí)體驗(yàn)過程，而美GMH版沒有知識(shí)導(dǎo)入，是讓學(xué)生在解決瓷磚問題的過程中，通過平方運(yùn)算思考平方根與平方數(shù)的關(guān)系，從而引入開平方和平方根.在知識(shí)應(yīng)用上，浙教版先以例1幫助學(xué)生鞏固開平方和平方根的概念以及開平方與平方的互逆關(guān)系，再以例2強(qiáng)化學(xué)生對(duì)平方根、算術(shù)平方根、負(fù)平方根的區(qū)別(見圖3)；而美GMH版則直接以例題來介紹正負(fù)平方根和平方根，以及平方根在解方程中的應(yīng)用(見圖4).相比之下，浙教版的例題安排更合理，有利于學(xué)生對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)的區(qū)分.另外，兩版教材均以文字、符號(hào)來表征平方根的概念，且都沒有知識(shí)拓展.

在非剛性壓力機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮時(shí)，從試樣的破壞形態(tài)上可以發(fā)現(xiàn)，微纖替代水泥的試樣相比空白試樣在受壓破壞時(shí)形態(tài)完整，均能基本保持原有形態(tài)，且受壓破壞過程趨于“溫和”，而空白試樣在受壓破壞時(shí)出現(xiàn)“崩裂”現(xiàn)象。這主要是因?yàn)殍偳对谒嗍w中的微纖，在壓縮破壞過程中，在一定程度上能阻止微裂紋的擴(kuò)展，從而減慢微觀裂紋合成宏觀裂紋而導(dǎo)致水泥石迅速破壞。

(1)水泥石抗壓強(qiáng)度：依據(jù)API R10B規(guī)范進(jìn)行測(cè)定。

圖2 掃描電鏡分析

3.6 微纖對(duì)水泥漿流變性的影響

微纖對(duì)水泥降流變性的影響如表2所示。從表2可以看出，隨著微纖的替代量增加，對(duì)水泥漿流變性的影響趨于明顯。這主要是因?yàn)?，微纖呈現(xiàn)針狀形貌，長(zhǎng)度主要集中在20～60 μm之間，其長(zhǎng)徑比約為5∶1～10∶1，而水泥顆粒呈現(xiàn)顆粒狀，平均粒徑約為35 μm，隨微纖替代水泥量的增加，針狀微纖對(duì)水泥漿體中水泥顆粒間相互滾動(dòng)的影響就趨于明顯。對(duì)于0.44水灰比的水泥漿體，6%的微纖替代量較為適中，9%的微纖替代量對(duì)水泥漿體流變性的影響已顯著。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，以微纖對(duì)水泥漿體流變性影響不顯著為前提，通過實(shí)驗(yàn)確定微纖替代水泥的量。

表2 微纖對(duì)水泥流變性的影響

4 結(jié)語

對(duì)于0.44水灰比的水泥漿，以3%、6%及9%(bwoc)微纖替代水泥，考察不同替代量的微纖對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響，以及對(duì)流變性的影響，有下結(jié)論：

(1)隨微纖替代水泥量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度有所降低，在9%微纖替代量時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低幅度相比空白試樣為25%，水泥石抗壓強(qiáng)度可保持在30 MPa以上。另外，隨微纖替代水泥量的增加，水泥石抗拉強(qiáng)度和拉壓比逐步增加。

(2)隨著微纖替代量的增加，塑性變形階段的擴(kuò)大，模量降低，泊松比增大，抗沖擊次數(shù)增多。

(3)微纖對(duì)水泥漿流變性的影響隨微纖替代量增加而趨于明顯，9%微纖替代量已影響顯著。

(4)微纖可參與水泥基體反應(yīng)，從而增加了微纖與水泥基體的握裹力。